JPS63290249A - 耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、耐熱性および高温での耐摩耗性が要求される
部品の素材として利用され、例えば内燃機関のバルブシ
ート、バルブフェース等に使用した場合に、憬れた耐熱
性および高温耐摩耗性を示すと共に、相手材に対する攻
撃性が低く優れたなじみ性を発揮する耐熱耐摩耗性鉄基
焼結合金に関するものである。 （従来の技術） 近年、内燃機関に対する高速化および高出力化などの要
求に伴って、内燃機関の動弁系部材の摩耗が問題となり
つつあり、特にバルブシートはエンジンの高温燃焼化も
あって、高温耐酸化性、摺動特性、＃久性に対する要求
はきわめて厳しいものとなっている。 一般ニ、バルブシートは高温にさらされる上に、高速で
たたかれるために、すぐれた耐熱性。 耐摩耗性、耐ピツチング性を兼ね備え、かつバルブ材と
のなじみ性をも合わせ持つことが要求される。 本発明者らは、前記の実情にかんがみて、マトリクス組
織中に微細な炭化物と硼化物および／または炭硼化物が
均一に分散し、さらに希土類および／または希土類酸化
物を含む耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金の発明をした（特願
昭６１−２５３６１６号明細書）。 この発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金は。 所定の組織を得るために１重量％で、ＭＯおよびＷのう
ちいずれか１種または２種ニア〜２５％、Ｃｒ：２〜１
０％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、
Ｐ：０．０５％以下、Ｃ：０．５〜２．０％、Ｂ：０．
５〜２．０％、ＳＣおよびＹを含む希土類元素のうちか
ら選ばれる１種以上の合計二０．１〜５％および／また
はＳｃおよびＹを含む希土類元素の酸化物のうちから選
ばれる１種以上の合計＝０．３〜７％、残部Ｆｅおよび
不純物からなることを基本的な特徴としているものであ
る。 （発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前記先願の発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基
焼結合金は、予期した高温での耐摩耗性は発揮したもの
の、希土類元素およυ／または希土類元素の酸化物の耐
熱性向上の作用が、合金元素の表面への拡散抑止効果に
よる酸化防止が主体となっていることから１表面酸化保
護膜がバルブのローテーション、サージング等によって
破壊されることが有ると摩耗量が増大するという問題点
があると共に、希土類元素は経済性、安定供給の点で不
利な面があった。 （発明の目的） 本発明者らは、上述した従来の問題点を解消することを
目的として、この種の耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金におけ
る粒界強化について種々の実験・研究を行った結果、温
度が上昇するのに対応して強度が上昇するいわゆる強度
が負の温度依存性を持つＬｌ□型金型金化間化合物トリ
クス合金に適度にかつ均一に分散させた場合に、当該マ
トリクス合金の耐熱耐摩耗性がさらに向上し、特に前述
した先願の発明のようにＢが一部硼化物、炭硼化物を形
成し、マトリクスにも固溶している場合に、分散したＬ
ｌ２型金属間化合物とマトリクスとの密着性が大幅に改
善され１粒界強化がはかられて、耐熱耐摩耗性がより一
層向上することを見い出し、さらに含有元素の最適範囲
を考慮して本発明を完成した。

【発明の構成】

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金は、重量％で、
ＭｏおよびＷのうちいずれか１種または２種＝５〜２５
％、Ｃｒ：１〜１０％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍ　
ｎ　：　０　、７％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｃ：０
．５〜２．５％、Ｂ：０．５〜２．０％、Ｌｌ２型金属
間化合物のうちから選ばれる１種または２種以上＝０．
３〜１５％、および必要に応じてＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ
。 Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉうちから選ばれる１種または２
種以上：２０％以下を含み、残部Ｆｅおよび不純物から
なることを特徴としているものである。 本発明者らは、上記の組成をもつ耐熱耐摩耗性鉄基焼結
合金において、とくにマトリクス中に微細でかつ十分な
量の炭化物と微細な硼化物および／または炭硼化物が均
一に分散しており、さらにマトリクスに十分な量のＬｌ
２型金属間化合物すなわちＮｉ３　ＡＭ　、Ｃｏ３　Ｔ
ｉ　、Ｎ１３Ｍｎ　。 Ｎｉ３　Ｆｅ等が分散している材料がすぐれた耐熱性と
共に良好な耐摩耗性を示し、とりわけたとえば内燃機関
のバルブシートおよびバルブフェース等に使用した場合
に、優れた耐熱性と共に耐摩耗性を発揮するという知見
を得た。 本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、以下
に成分組成（重量％）を上記の通り限定した理由を説明
する。 ＭＯおよびＷ： ＭｏおよびＷは成分中のＦｅやＣｒとともにＣとＢと結
合して複炭化物や複硼化物あるいは復炭硼化物を形成し
て耐摩耗性を与え、一部はマトリクス中に固溶してマト
リクスを強化するとともに焼戻し硬化能を高める作用が
あるが、５％未満では所望の効果が得られずに耐摩耗性
不足となり、２５％を超えて含有させてもより一層の改
善効果は認められず、経済的でないことからその含有量
を５〜２５％と定めた。 Ｃｒ： ＣｒはＭｏ、Ｗ等とともに複炭化物や複硼化物を形成し
耐摩耗性を向上させると同時に、マトリクス中に固溶し
て焼入性を増大し、さらに焼戻し硬化能を高める効果を
有するとともに基地の耐食性を高める効果もあるが、１
％未満ではその効果が認められず、１０％を超えて含有
させてもより一層の改善効果がないばかりでなく、機械
的強度が低下して相手材への攻撃性が増大してしまうこ
とからその含有量を１−１０％と定めた。 Ｓｉ： Ｓｔは０．１％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉
末中の酸素含有量が多くなって焼結性が低下するととも
にＭ２Ｃ系の粗大な板状の炭化物が析出しやすくなり相
手材とのなじみ性が低下する。一方、添加量が０．９％
を超えても脱酸効果の向上もなく、粉末が丸くなってし
まい成形性が低下するだけであることから、その含有量
を０．１〜０．９％と定めた。 Ｍ　ｎ　： Ｍｎは前述したＳｉと同じように脱酸効果があり、添加
することにより粉末中の酸素含有量を下げて焼結性を向
上させるが、０．７％を超えると粉末の形状が丸くなっ
て粉末の成形性が低下することにより成形体エツジ部の
欠は等が生じやすくなることから、添加するとしてもそ
の含有量を０．７％以下と定めた。 Ｐ： Ｐは耐彦耗性焼結合金の場合において焼結促進元素とし
て一般に０．２〜０．８％程度添加する手法が広く用い
られているが、本発明に係る焼結合金の場合はＰの添加
量が０．０５％を超えた場合に、複硼化物あるいは復炭
硼化物が粗大化して相手材とのなじみ性が低下するとと
もに、粒界に複硼化物あるいは復炭硼化物がネットワー
ク状に析出して強度が低下してしまうことにより、特に
高面圧がかかった場合の耐ピツテイング特性も低下して
しまうことからその含有量を０．０５％以下と定めた。 Ｃ： Ｃはその一部がＭ　ｏ　、　Ｗ　、　Ｃｒ　、　Ｖなど
の炭化物形成元素と結合して複炭化物を形成して耐摩耗
性を向上させ、残りはマトリクス中に固溶して高い室温
硬さと強度を与える作用を有するが。 ０．５％未満ではその効果が認められず、２．５％を超
えると複炭化物の析出量増加と粗大化が起り、相手材と
のなじみ性が低下することからその含有量を０．５〜２
．５％と定めた。 このＣの添加方法としては、真空焼鈍を施したＦｅ−Ｍ
ｏ−Ｗ−Ｃｒ−５ｔ　−（Ｖ）　　　（Ｍｎ）−（Ｇｏ
）−Ｃ系アトマイズ合金粉末の形で添加する必要がある
。これはＣを単独にグラファイト粉末の形で添加すると
、後述するＢ源として添加するＦｅ−ＢあるいはＦｅ−
Ｃｒ−Ｂと結びついて焼結時に粗大な炭種化物を粒界に
沿ってネットワーク状に析出させ相手材への攻撃性を増
大してしまうためである。 Ｂ； Ｂは成分中のＭｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅとともに複硼化
物を形成して耐摩耗性となじみ性を与えるとともに、一
部はマトリクス中に固溶して焼入性を改善する。またＢ
はＬｌ２型の金属間化合物とマトリクスのぬれ性を向上
させ、マトリクスの粒界を強化させる働きがある。さら
に上記複硼化物の一部はＣとも結びついて復炭硼化物を
形成して耐摩耗性を向上させる。 このようにＢは微細な複硼化物あるいは復炭硼化物を形
成して未発Ｉｌ１合金の耐摩耗性となじみ性を向上させ
、Ｌｌ２型金属間化合物のマトリクスとの整合性（ぬれ
性）をも改善させる必須の主要成分であるが、０．５％
未満の添加ではその効果が認められず、２．０％を超え
てもより一層の改善効果が得られず、かえって複硼化物
の粗大化が起り、相手材とのなじみ性が低下することか
ら、その含有量を０．５〜２．０％と定めた。 Ｌｌ２型金属間化合物 Ｌｌ２型金属間化合物は、面心立方系で、構造式Ａ３Ｂ
で表わされ、Ａ原子は面心の位置、Ｂ原子はコーナーの
位置を占るもので、例えば、Ｎｉ３　ＡＩＬ、Ｃｏ３　
Ｔｉ　、Ｎ１３Ｍｎ、Ｎｉ３Ｆｅ、Ｃｕ３　Ｐｄ、Ｎｉ
３Ｖなど数多くのものがある。 このＬｌ２型の金属間化合物は異常な強度の逆温度依存
性を示し、温度の上昇に伴って強度も上昇する。そして
、これらの金属間化合物をあらかじめ化合物化した形で
微細粉末としてマトリクス合金に分散させると、転位の
ビン止め効果等によりマトリクス合金の耐熱性が向上す
る。 そして、焼結の際に本発明合金の必須元素の１つである
Ｂ（硼素）は金属間化合物の規則構造の不規則化を抑制
し、強度の逆温度依存性を保持する働きがある。これは
主としてＢの価電子による作用と考えられる。 さらに、この金属間化合物は、焼結時の結晶粒の粗大化
、硬質相の粗大化を防止する作用もある。 このように、Ｌｌ２型金属間化合物は、上述したいくつ
かの効果が相まって、高温での耐熱性および耐摩耗性の
向上に大きく寄与Ｔる。しかし、０．３％未満では所望
の効果が得られず、１５％を超えて含有させてもより一
層の効果は認められず、経済的でないことから、その含
有量を１種または２種以上の合計で０．３〜１５％とし
た。 Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ。 Ｎｉ Ｖ　、　Ｎ　ｂ　、　Ｔ　ａはＦｅやＣｒとともにＣと
係合してきわめてかたい複炭化物を作るとともに、Ｍｏ
、Ｗの一部と置換した形の複炭化物や複硼化物を形成し
て耐摩耗性を与え、一部はマトリクス中に固溶してマト
リクスを強化するとともに、焼戻し硬化能を高める作用
がある。 また、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａは焼結時の結晶粒の粗大化を防止
するとともに炭化物の粗大化を防止する効果もある。こ
れらの効果はＶ、Ｎｂ、Ｔａが０．５％未満の場合では
あまり認められず、耐摩耗性や強度の低下をきたし、一
方８％を超えて添加してもより一層の改善効果は認めら
れず、経済的でないことから、添加するとしてもその含
有量を０．５〜８％とするのが良い。 Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ’、Ｃｏは硼化物形成元素であり、こ
れらの１種以上を必要に応じて１２％以下添加しても良
い、特にＣＯはＭｏ、Ｗなどの一部と置換して複硼化物
を形成するだけでなく、マトリクス中に固溶して高温で
のかたさを向上させるため、ターボチャージャーを装着
したエンジンのバルブシート等に使用する場合は添加す
ることが望ましい。 Ｎｉは耐食性、耐熱性をさらに向ヒさせるのに有効な元
素であるので、かたさが低下しない範囲で添加しても良
い。 そして、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ。 Ｃｏ、Ｎｉは合計で２０％を超えても改善効果がみられ
ず、かえって経済的でないことから、これらの合計で２
０％以下とする。 （実施例） 以下、本発明に係る耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金の実施例
を比較例と対比しながら説明する。 原料粉末として、真空焼鈍を施した粒度−１００メｙ　
シュｔ７）Ｆ　ｅ　−Ｍ　ｏ　−Ｗ　　Ｃｒ　−３ｉ−
Ｃ系アトマイズ合金粉末（必要に応じＶ。 Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏも添加）、−３２５メツシユノＦ　ｅ
　−Ｍ　ｏ粉末あるいは純Ｍｏ粉末、−３２５メツシュ
のＦｅ　−Ｗ粉末あるいは純Ｗ粉末、−２５０メ−／　
シュ（７）　Ｆ　ｅ　−８合金粉末（Ｂ：２０％含有）
、−２５０メツシユのＦｅ−２６％Ｐ合金粉末、−３２
５メツシユのＮ　ｓ　３　Ａ　ｌ　＋Ｃｏ３　Ｔｉ　、
Ｎｉ３　Ｍｎ、Ｎｉ３　Ｆｅ　、Ｃｕ５Ｐｄ粉末、−２
５０メツシユのフェロチタン。 フェロジルコニウム、フェロハフニウム３　合金粉末、
−３２５メツシユのカーボニルＮｉ粉末、笠を第１表に
示す最終成分組成を持つように適宜配合し、潤滑剤とし
て高級脂肪酸を加えて混合し、この混合粉末を６ｔｏｎ
ｆ／ｃｍ’の圧力で圧粉成形し、ついで前記圧粉体を真
空中で１１５０〜１２５０°Ｃの温度にて６０分保持し
て焼結した後、焼入れ焼戻し処理を行って、本発明合金
１〜５．９〜１９および比較合金６〜８．２０〜２４を
製造した。 ついで、Ｌ配本発明合金および比較合金をバルブシート
形状に加工し、実機を模したバルブ・バルブシート試験
機を用いて摩耗試験を行った。このバルブシート試験機
は、自動温度調整を行いながらプロパンガスの燃焼によ
ってバルブ・バルブシートを加熱し、偏心カムの駆動に
よってバルブを開閉し、バルブ・バルブシートのたたき
摩耗状況を１１）現するものであって、試験条件は第２
表に示すとおりであり、運転条件は第３表に示すとおり
であって、ステップｌとステップ２を各々２回行い、合
計１００ｈｒの運転実験を行って、試験後におけるバル
ブの庁耗深さ、バルブシートの摩ｊＬ深さ、およびバル
ブシートの外観を調べた。これらの結果を第１表にあわ
せて示す。 第２表 第１表に示す結果より明らかなように、摩耗試験は高温
で行われ、バルブの回転およびサージング等を含む摩耗
条件が苛酷なため、比較合金６〜８および２０〜２４で
示したように成分組成の範囲が本発明の範囲からはずれ
た合金で製造されたバルブシートでは、バルブシートお
よび相手バルブの摩耗が大きく、一部ではバルブシート
にピッティングあるいは一部脱落がみられ、満足できる
良好な特性を示していない。 これに対して１本発明合金１〜５および９〜１９で製造
したバルブシートでは、バルブシートおよび相手バルブ
の摩耗が小さく、バルブシートにはピッティング等の異
常が発生しておらず、優れた特性を示している。

【発明の効果】

以上説明してきたように、本発明に係る鉄基焼　　１結
合金は、重罎％で、ＭｏおよびＷのうちいずれか１種ま
たは２種＝５〜２５％、Ｃｒ：１−１０　　１％、Ｓｉ
：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０．０
５％以下、Ｃ：０．５〜２．５％、Ｂ：０．５〜２．０
％、Ｌｌ２型金属間化合物のうちから選ばれる１種また
は２種以］ユニ０．３〜１５％、および必要に応じてＶ
、Ｎｂ。 Ｔａ、Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉのうちからきば
れる１種または２種以上：２０％以下゛を含み、残部Ｆ
ｅおよび不純物からなるものであるから、マトリクス中
に硬質粒子として微細な複炭化物と複硼化物および／ま
たは復炭硼化物とが均一に分散し、かつマトリクス中に
は温度上昇に伴って強度が増加するいわゆる強度の適温
度依存性を弘すＬｌ２型金属間化合物が分散し、合金中
に含＃ｉするＢによって上記金属間化合物の不規則化が
１制されているので、高温度においても粒界が脆［ヒす
ることがなく、耐熱耐摩耗特性に著しく優れ辷合金であ
る。また、鉄基焼結合金の含有元素ｐ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ
、Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｉｆ、Ｃｏについては複炭化物と複硼
化物および／または復炭−化物を形成し、耐摩耗性を向
上させる効果があり、Ｃｏには耐熱性向りの効果もある
。さらに。 ｑｉは耐熱性、耐食性向−Ｌの効果がある。ざらにまた
、ＣｏはＬｌ２金属間化合物のうちＣｏ３Ｔｉと基地組
織との整合性を向上させる効果があり、ＮｉはＬｌ２金
属間化合物のうちＮｉ３ＡＪＪ、Ｎｔ３Ｆｅ、Ｎ１３Ｍ
ｎと基地組織との整合性を増大する効果も合わせ持って
いる。 したがって、本発明合金を例えばかなり高温になる内燃
機関のバルブシート等に使用した場合において、バルブ
回転運動が生じたり、サージングが起こったりする苛酷
な条件下で運転されたとしても、Ｌｌ２型金属間化合物
に基く優れた耐熱性。 上記複合硬質相による優れた耐摩耗性によって、著しく
良好な高温耐摩耗特性を示し、優れたなじみ性により相
手材の摩耗をも改善させる効果がある。さらに、Ｌｌ２
型金属間化合物の各生成元素は特に稀れな元素ではなく
、比較的入手しやすい等の経済性をも兼ねそなえている
という効果がある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、ＭｏおよびＷのうちいずれか１種また
   は２種：５〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、Ｓｉ：０．１
   〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０．０５％以下
   、Ｃ：０．５〜２．５％、Ｂ：０．５〜２．０％、Ｌｌ
   ＿２型金属間化合物のうちから選ばれる１種または２種
   以上：０．３〜１５％、残部Ｆｅおよび不純物からなる
   ことを特徴とする耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金。
2. （２）重量％で、ＭｏおよびＷのうちいずれか１種また
   は２種：５〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、Ｓｉ：０．１
   〜０．９％、Ｍｎ：０．７％以下、Ｐ：０．０５％以下
   、Ｃ：０．５〜２．５％、Ｂ：０．５〜２．０％、Ｌｌ
   ＿２型金属間化合物のうちから選ばれる１種または２種
   以上：０．３〜１５％、およびＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、
   Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選ばれる１種または
   ２種以上：２０％以下、残部Ｆｅおよび不純物からなる
   ことを特徴とする耐熱耐摩耗性鉄基焼結合金。